能造飛機大炮的“石頭”

劉秉翔　劉丹

玄武巖屬于地質學三大巖類（巖漿巖、沉積巖、變質巖）中的巖漿巖。漢語玄武巖一詞最初源于日語，因發現于日本兵庫縣玄武洞而得名。玄武巖的主要礦物有基性長石和輝石，部分玄武巖中含有少量橄欖石、角閃石和黑云母等礦物。

我們身邊常見的玄武巖結構構造

在日常生活中，我們會看到有些老人用帶有氣孔的石頭對腳部進行按摩或者去除老繭，這會促進足部的血液循環，有益健康。但是大家知道嗎，其實大部分的磨腳石就是玄武巖。

磨腳石上面的氣孔是火山巖常見的一種構造，尤其是在玄武巖中。當富含氣體的巖漿噴發到地表時，由于壓力的降低，巖漿中的氣體會發生膨脹和逃逸。之后在巖漿凝固的過程中，原來氣體所在的位置會變成空洞，就像磨腳石上的氣孔。在一些玄武巖中，我們還會看到氣孔定向排列，呈流動狀，這是巖漿噴發之后在流動的過程中氣孔受到擠壓變形導致的。同時，最常見的構造不光有氣孔構造，還有繩狀構造和枕狀構造。

我們在電視或者書上見過美國加利福尼亞州東部猛犸山的魔鬼巖柱堆，這是玄武巖另外一種常見的構造——柱狀節理。

第一眼看到這個地質奇觀時，除了贊嘆大自然的鬼斧神工外，我們腦海里也許會出現一個疑問：平常的巖石都是一整塊或者脈狀的，為什么它像是被人工切割過似的？到底是什么原因導致的呢？經過科學家的仔細觀察和研究，終于了解了其中的奧妙。

形成玄武巖的巖漿在冷卻過程中，由于溫度快速降低，巖漿發生熱脹冷縮，熔巖頂部平坦的冷凝面會形成無數規則而又間隔排列的均勻收縮中心，進而產生垂直于收縮方向的張力裂隙，使得巖石發生規則劈裂，形成六棱柱體。當大量六棱柱體排列在一起，就形成了我們看到的壯觀場面。

地球上典型的玄武巖

大洋中脊玄武巖——大洋中脊擴張的產物

廣闊的海洋是無數生物得以生存棲息的家園，海洋總面積約為3.6億平方千米，約占地球表面積的71%。當我們站在海邊，看著浩瀚無際的大海，往往會產生好奇，五彩繽紛的海洋世界底部是什么？

其實，除了河流匯入以及平常沉淀的沉積物以外，海洋的底部是被一層厚厚的玄武巖覆蓋的。海底玄武巖的出現，其實是大洋中脊（一種貫穿地球四大洋的海底山系）向外擴張的結果。

海洋也像人一樣經歷著誕生、成長和消亡三個階段。在這個過程中，大洋中脊扮演著十分重要的角色，它就像傳送帶一樣，源源不斷地向外噴出玄武巖巖漿，直到大洋最后消亡閉合。大洋中脊產生的玄武巖稱為大洋中脊玄武巖。這種玄武巖為地質學家研究板塊漂移和海洋的演化，提供了重要的樣品基礎。

洋島玄武巖——地幔柱作用的產物

夏威夷群島不僅是旅游度假勝地，同時島上還有經常噴發的活火山，每年有許多人為了近距離觀察火山噴發來到這里。這些火山噴發出的就是玄武巖巖漿。

雖然地處廣闊的太平洋中部，但是這種玄武巖的產生機制與大洋中脊玄武巖是不同的。經過科學家長時間的研究，發現夏威夷玄武巖的產生是地幔柱作用的結果。地幔柱這個概念是美國地球物理學家威廉·杰森·摩根在1971年提出來的。他認為，地幔對流會緩慢地將熱從地核攜帶至地表，形成溫度較高的柱狀流，這個巨大的熱柱底端和地幔底部甚至與地核相連，頂端則由于浮力的原因在上升過程中膨大成球狀，整體就像有著細長柄的蘑菇。

當地幔柱的頂部上升到地球淺部時，會部分熔融，從而產生類似夏威夷洋島上的這種玄武巖。

其實，地幔柱作用的產物不光有洋島玄武巖，它在地球的好多地方都有蹤跡，那就是被地質學界廣泛研究的大火成巖省（一種特定的地質區域，指火成巖的大規模堆積）。大火成巖省以短時間內巨量的巖漿噴發為特征，巖漿的覆蓋面積可以達到105平方千米，體積可以超過105立方千米。大火成巖省的巖漿作用持續時間可以較長，能夠達到5000萬年，但是75%的巖漿會在100萬～500萬年內噴發。

這個過程中產生的巖漿最主要的成分就是玄武巖，通常玄武巖的量就是判斷大火成巖省的一個標準。由于在大火成巖省的形成過程中伴隨著大量的火山噴發，火山噴發會產生巨量的火山灰和有毒氣體，因此，科學家認為，大火成巖省巨量的巖漿作用往往和生物大滅絕密切相關。

其中，關于二疊紀生物大滅絕的原因，科學家有兩種解釋：

第一種是隕石撞擊說。隕石撞擊激起的巨量塵埃懸浮在空中遮天蔽日，使全球氣溫下降，同時阻礙生物的光合作用，使得整個生態系統遭到嚴重破壞。

另外一種猜想就是大火成巖省巖漿作用導致的。這個大火成巖省就是位于我國的峨眉山大火成巖省，因為峨眉山大火成巖省的形成時間與二疊紀晚期生物大滅絕的時間十分吻合。關于這次的生物大滅絕的真相到底是什么，還需要科學家進一步研究。

月海玄武巖

月亮，不管是在中國還是在西方世界，一直都是神話故事中的主角。從人類有思想以來，一直對月球充滿著向往。由于月球的自轉與公轉周期相等（稱為潮汐鎖定），因此月球始終以同一面朝向著地球。月球的正面主要分布著大量的暗色玄武巖熔巖，它們富含鐵和鈦，填充了月球上的巨大撞擊坑，形成廣闊的平原，被稱為“月海”。1969年，美國的阿波羅11號實現人類首次載人登月，此后宇航員對月球開展了一些科學考察，其中主要的工作就是采集月壤樣品。他們總共從月球帶回381.7千克樣品，其中最多的就是玄武巖樣品。

阿波羅計劃采集的月海玄武巖的年齡為32億～38億年，最古老的月海玄武巖的年齡為42億年，這些樣品為研究月球的形成和演化提供了重要的物質基礎。2020年底，我國嫦娥五號帶回來的月壤又會帶給人類什么新發現呢？值得期待。

神奇壯觀的玄武巖景觀

玄武巖瀑布

世界最大的玄武巖瀑布——吊水樓瀑布，又稱鏡泊湖瀑布，是黑龍江鏡泊湖景區的精華景點。它位于鏡泊湖的出口處，由玄武巖構成陡峻的峭壁，湖水由上沖瀉而下，形成一個寬約40米、落差超過12米的瀑布。在冬季枯水期，瀑布會消失不見。但由于長期的水流沖刷和溶蝕作用，在玄武巖峭壁上形成的大小深淺不等的溶洞會顯現出來，因此稱之為吊水樓。冬季由于天氣寒冷，玄武巖的峭壁上會懸掛長長的冰柱，白色的冰柱和黑色的玄武巖交相呼應，場面十分壯觀。

相對于地球46億年的歷史，鏡泊湖玄武巖的年齡十分年輕。鏡泊湖屬于長白山山脈的一部分，景區北部分布著大小12個火山口。這些火山從100萬年前開始噴發，形成了一條長達百余里的玄武巖臺地。在距今4800年的時候，最后一次火山爆發產生的玄武質熔巖和火山碎屑在如今鏡泊湖電站大壩附近匯集，并且在吊水樓附近形成一道玄武巖堰塞堤壩，堵塞了牡丹江河道及其支流，形成了世界上最大的火山熔巖堰塞湖——鏡泊湖。

玄武巖石柱

漳州濱海火山國家地質公園作為濱海火山地質地貌風景旅游區，位于福建省漳州市漳浦縣前亭鎮濱海一帶。公園內有兩座由玄武巖組成的火山島嶼，分別是林進嶼和南碇島。

其中，林進嶼是一個由玄武巖組成的似橢球形島嶼，島上還存在一個形成于2000多萬年前的古火山口，古火山口附近廣泛分布著火山噴氣口群和鉚釘狀氣孔柱群。南碇島則由140多萬根巨型柱狀節理玄武巖組成，是世界上擁有最多柱狀玄武巖的濱海火山島。這些玄武巖石柱高于海平面20～50米，從海底冒出直插云霄，令人嘆為觀止。

從普通觀賞石到高新纖維材料

雖然玄武巖是一種常見的巖石，但相信很多人都不知道，玄武巖經過特殊手段處理后，能夠變換形態，成為一種泛著金屬光澤的高性能纖維材料—玄武巖纖維。

玄武巖石料粉末在1450～1500℃熔融后，經過澄清冷卻和均質化，再利用鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而形成連續纖維。這些纖維的直徑為7～20微米。雖然粗細只有頭發絲的1/3，但是它的強度是同等直徑鋼纖維的2倍，而且比合金更耐腐蝕，同時能夠承受500℃的高溫。

玄武巖纖維經過特殊處理后，可以像棉花一樣織成布，用來制作防護服。同時，還可以將玄武巖纖維和高分子基體采用特定的工藝制成增強復合材料，用來制造坦克、艦船、飛機的外殼。值得一提的是，作為一種天然的石頭，它是由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成，因此在制造玄武巖纖維的過程中，基本沒有有害物質排出，對環境污染很小。

我國玄武巖資源十分豐富，甘肅、黑龍江、新疆、山西、四川等地均分布有大量的玄武巖礦產資源。雖然玄武巖纖維技術出現僅二三十年，世界各國對該技術的應用都處于初期探索階段。但是相信在不久的將來，玄武巖纖維會在我們的日常生活中起到十分重要的作用。

本文內容來自《地球》2020年第10期